- 幾種磁集成倍流整流拓?fù)涞谋容^
- 在外磁柱上加氣隙
- 減小了功率密度
- 具有較多的連接端子
在現(xiàn)今的大電流DC/DC變流器中,倍流整流(CDR)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于它本身的特點(diǎn),已經(jīng)成為最優(yōu)的輸出整流拓?fù)溥x擇。與傳統(tǒng)的帶中間抽頭的整流拓?fù)湎啾容^,其變壓器副邊只有一組繞組,結(jié)構(gòu)上相對(duì)比較簡(jiǎn)單;同時(shí)CDR副邊繞組的匝數(shù)也較少,在大電流情況下,副邊繞組的損耗就會(huì)降低;且它的輸出有兩個(gè)濾波電感,流經(jīng)每個(gè)電感上的電流只有負(fù)載電流的一半,所以,輸出濾波電感上的功率損耗也較小,由于兩個(gè)濾波電感的存在,變流器的輸出電流/電壓紋波也相對(duì)較小。
但它需要3個(gè)磁性元件,必然導(dǎo)致體積的增大,從而減小了功率密度;同時(shí)具有較多的連接端子,在電流較大時(shí),連接端子上的功率損耗必然相對(duì)較大。為了克服以上缺點(diǎn),磁集成(integratedmagnetics)技術(shù)早已應(yīng)用在CDR拓?fù)洚?dāng)中。所謂磁集成就是將變流器中兩個(gè)或兩個(gè)以上的分立磁性元件(變壓器,輸入/輸出濾波電感)都繞制在一副磁芯內(nèi),從而達(dá)到減小體積,提高功率密度,減少連接端子的目的。
本文對(duì)多種磁集成倍流整流拓?fù)洌↖M-CDR)進(jìn)行了分析和比較,選出了其中較佳的拓?fù)?,并在此IMCDR拓?fù)涞幕A(chǔ)上對(duì)一個(gè)輸出為1V,20W的DC/DC變流器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)波形。特別要提出的是,當(dāng)負(fù)載較大時(shí),存儲(chǔ)在變壓器原邊漏感中的能量可用來實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動(dòng),從而降低了控制電路的復(fù)雜程度。
幾種磁集成倍流整流拓?fù)涞谋容^
圖1給出了到目前為止的幾種適于低壓大電流電壓調(diào)整模塊(VRM)拓?fù)涞腎M-CDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
(a)分立磁性元件的倍流整流(b)PengC提出的IM-CDR[1](c)ChenWei提出的IM-CDR[2]
(d)(c)中的中間柱氣隙可不加(e)XuPeng提出的IM-CDR[3](f)SunJian提出的改進(jìn)型IM-CDR
圖1IM-CDR電路結(jié)構(gòu)
圖1(a)所示的是采用分立元件構(gòu)成的CDR電路,它一共需要3個(gè)分立的磁性元件,分別是輸出濾波電感L1和L2,以及變壓器。結(jié)果導(dǎo)致變流器體積和重量過大。同時(shí),它的大電流連接端子也較多,這必然增加副邊的導(dǎo)通損耗。
為了避免上述這種傳統(tǒng)CDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足,PengC提出了一種IM-CDR電路拓?fù)?,如圖1(b)所示。它將以往的CDR整流電路中的3個(gè)分立磁性元件(輸出濾波電感和變壓器)集中繞制在同一副磁芯中,結(jié)果大大地減小了變流器的體積和重量,但是,由于它副邊仍然有較多的繞組數(shù)和連接端子,使得這種CDR拓?fù)涞膽?yīng)用受到了限制。
圖1(c)是由ChenWei提出的CDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。它是將圖1(b)中的變壓器副邊繞組分解,分別繞在磁芯的兩個(gè)外磁柱上。結(jié)果使得拓?fù)涓边叺慕Y(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單,連接端子也相對(duì)減少。這種CDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合大電流變流器的應(yīng)用場(chǎng)合,因?yàn)樗休^少的連接端子和繞組數(shù)。且由于它的中心磁柱上有氣隙存在,原邊的激磁電感Lm就會(huì)減小,在輸出輕載時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)主開關(guān)的ZVS[2]。但氣隙不能開得太大,如果太大Lm就會(huì)很小,導(dǎo)致變壓器原邊的激磁電流的增大,從而增大原邊的導(dǎo)通損耗。
圖1(d)中給出的是中心柱不開氣隙的情況,此時(shí)變壓器原邊激磁電感Lm較大,原邊繞組中的激磁電流較小,因此,原邊的導(dǎo)通損耗也較小。在這種IM-CDR拓?fù)渲?,由于原副邊繞組是分別繞在三個(gè)磁柱上的,所以,原副邊繞組間的耦合較差,導(dǎo)致變壓器原邊漏感較大,降低了變流器的性能。此外,這種中間沒有氣隙兩邊開氣隙的IM-CDR拓?fù)?,其磁芯的生產(chǎn)比較困難。普通的EE或EI磁芯的兩個(gè)外磁柱上都沒有氣隙,要應(yīng)用于圖1(d)中的IM-CDR拓?fù)洌捅仨氃谕獯胖霞託庀?,結(jié)果使得它的實(shí)現(xiàn)比較困難。
[page]
XuPeng提出了如圖1(e)所示的IM-CDR電路拓?fù)鋄3]。它是將圖1(d)中的變壓器原邊繞組拆分,并分別繞制到磁芯的兩個(gè)外磁柱上,這樣原副邊繞組就會(huì)形成較好的耦合。并只是在中心的磁柱加氣隙,兩個(gè)外磁柱上不加氣隙。改進(jìn)的IM-CDR不僅減小了變壓器原邊漏感,提高變流器性能,而且這種磁芯結(jié)構(gòu)也更加便于生產(chǎn),普通的EE和EI磁芯就可以滿足要求,還有利于減小磁芯損耗和提高效率[3]。但它的原邊存在兩組繞組,結(jié)構(gòu)要比圖1(c)及圖1(d)中的拓?fù)鋸?fù)雜。
在上面提出的這些IM-CDR拓?fù)渲卸即嬖谕粋€(gè)問題,就是它們的輸出濾波電感值受到了限制,所以,存在相對(duì)較大的輸出電流/電壓紋波。因此,SunJian提出了如圖1(f)所示的電路。從結(jié)構(gòu)上與圖1(e)相比較,只是在中心的磁柱上加了一組繞組,并串在了輸出端,這就相當(dāng)于在輸出端多加了一個(gè)濾波電感,從而減小了輸出電流和電壓紋波[4]。但這種結(jié)構(gòu)拓?fù)洳⒉贿m合低壓大電流場(chǎng)合。
綜上所述,圖1(c)所示的IM-CDR拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的,在對(duì)輸出電流/電壓紋波要求不是很高的大電流變流器中,它是最合適的。雖然變壓器的原邊存在相對(duì)較大的漏感,但折衷考慮,它還是最優(yōu)的選擇。而且在負(fù)載電流較大的情況下,變壓器漏感可用來實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果
IM-CDR結(jié)構(gòu)選擇如圖1(c)所示的拓?fù)?。從結(jié)構(gòu)上可以看出,磁芯的3個(gè)磁柱上都加了相同的氣隙(lg),這必然會(huì)導(dǎo)致變壓器原邊的漏感(Lk)的增大,但可以利用變壓器原邊漏感中的能量實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動(dòng)(開通),同步管的關(guān)斷是通過外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)來完成的。實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示,由圖2可以看到副邊同步管的驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)繞組(Na),兩個(gè)二極管(Da1,Da2)和兩個(gè)MOS管(Sa1,Sa2),它的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,只需要在磁芯的中心磁柱上多加一組繞組即可。變壓器原邊采用的是對(duì)稱半橋拓?fù)?。?shí)驗(yàn)電路的具體參數(shù)見表1所列。實(shí)驗(yàn)波形圖如圖3和圖4所示。圖3是在負(fù)載電流Io=4A時(shí)測(cè)得的變壓器原邊電壓波形以及兩個(gè)同步整流管的門極驅(qū)動(dòng)電壓波形圖。由于此時(shí)的負(fù)載電流較小,反映到變壓器原邊的激磁電流也較小,在原邊開關(guān)管關(guān)斷的瞬間,變壓器原邊漏感(Lk)與開關(guān)管輸出結(jié)電容(Co1,Co2)間的振蕩尖峰不夠高,不足以開通副邊的同步整流管。
所以,在兩個(gè)原邊開關(guān)管都處于斷態(tài)期間內(nèi),其中一個(gè)同步整流管的體二極管必須導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。由于此時(shí)的負(fù)載電流不大,體二極管上的功率損耗也不明顯。隨著負(fù)載的加大,原邊的振蕩會(huì)逐漸增大,直到能夠開通副邊同步整流管。圖4所示的是負(fù)載電流Io=20A時(shí)的變壓器原邊電壓波形以及兩個(gè)同步管驅(qū)動(dòng)波形。當(dāng)原邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí),存在于漏感中的能量足夠以開通兩個(gè)同步管。然而同步管的關(guān)斷只能通過外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。它們分別來自于原邊開關(guān)管的門極驅(qū)動(dòng)vg1和vg2。圖5是測(cè)得的變流器的效率曲線圖。
表1實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)
圖2實(shí)驗(yàn)電路圖
[page]
圖3Io=4A時(shí)的vp,vg3和vg4波形
圖4Io=20A時(shí)的vp,vg3和vg4波形
圖5變流器效率曲線圖
倍流同步整流拓?fù)湓诖箅娏髯兞髌髦械膽?yīng)用越來越廣泛,但是,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上存在著磁性元件較多,體積較大等缺點(diǎn),為了克服這些不足之處,磁集成技術(shù)早已經(jīng)應(yīng)用在這種拓?fù)洚?dāng)中。本文分析比較了幾種磁集成倍流整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路模型。在負(fù)載較大情況下,存儲(chǔ)在變壓器的原邊漏感中的能量可以用來實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管自驅(qū)動(dòng)(開通)。